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鈦管換熱器的工藝計算及經(jīng)濟(jì)性分析

發(fā)布時間:2024-04-30 20:35:50 瀏覽次數(shù) :

LNG被公認(rèn)是地球上最干凈的化石能源,但是基于我國富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu),最近我國大量進(jìn)口LNG。LNG在氣化的同時,可以利用其冷源,通過卡諾循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。該工藝涉及到海水換熱器,為了保證發(fā)電平穩(wěn),需要采用鈦換熱管。

鈦換熱器因金屬離子不易流失,所以可充分利用這種非磁性特點(diǎn),用做制藥及食品等用途的換熱器。由于鈦的抗腐蝕能力強(qiáng),所以換熱器的使用壽命長,并且在使用中維護(hù)費(fèi)用也低。此外,因其具有體積小、換熱能力大等優(yōu)點(diǎn),相關(guān)設(shè)備(如泵)的投資及運(yùn)行費(fèi)用也能相應(yīng)減少[1]。

鈦管換熱管的價格為127元/kg,S30408換熱管的價格為17.2元/kg,價格昂貴,因此在進(jìn)行鈦管換熱器設(shè)計的過程中,在滿足工藝參數(shù)的前提下,盡量減少鈦管的重量,從而提高經(jīng)濟(jì)性[2]。

筆者在設(shè)計鈦管換熱器的過程中,需要考慮到,如何減少工程總造價,主要包括設(shè)備固定投資和運(yùn)行費(fèi)用。基于此,筆者在保證傳熱要求的前提下,系統(tǒng)分析了不同換熱管規(guī)格對總費(fèi)用的影響。

1、設(shè)計參數(shù)

LNG發(fā)電項(xiàng)目由煙臺某電力公司總包,我公司負(fù)責(zé)熱工計算,要求換熱余量至少10%。其主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

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2、換熱器工藝計算

2.1換熱器管殼程流體分配

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),凡是接觸海水介質(zhì)的材料需要采用Ti材,如果將海水安排在殼程,換熱管、殼程材料和管板均需要采用昂貴的鈦材,所以將海水安排在管程。

2.2換熱器型式的確定

管殼式換熱器總的傳熱熱阻[3]是由熱流體與管壁的對流傳熱熱阻、管壁和污垢的導(dǎo)熱熱阻,以及管壁與冷流體的對流傳熱阻串聯(lián)構(gòu)成。海水汽化器的總傳熱熱阻:

R=1/K=1/α1+Ris+δ/λ+Ros+1/α0(1)

式中R——總傳熱熱阻,m2·K/W;

K——總傳熱系統(tǒng),W/m2·K;

αi,α0——分別為管壁內(nèi)外流體的對流傳熱系數(shù),W/m2·K;

Ris,Ros——分別為管壁內(nèi)外的污垢熱阻,m2·K/W;

δ——管壁厚度,m;

λ——管的導(dǎo)熱系數(shù),W/m·K。

由于管殼側(cè)介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)比較高,海水側(cè)污垢熱阻對總體熱阻的貢獻(xiàn)值很大,基于此,設(shè)計過程考慮減少污垢熱阻的措施。

目前管式換熱器(例如凝汽器、空氣冷卻器、冷油器等)內(nèi)部換熱管道內(nèi)壁結(jié)垢后一般采用化學(xué)清洗和物理清洗(高壓水射流清洗),這兩種清洗方法都是在管道內(nèi)壁結(jié)垢后才能進(jìn)行清洗,且沒有預(yù)防管道內(nèi)壁結(jié)垢的功能。

清洗時需設(shè)備停運(yùn)后才能進(jìn)行清洗除垢等操作,清洗除垢過程時間長且對設(shè)備損傷較大、安全風(fēng)險高、費(fèi)用較高、勞動強(qiáng)度大等缺點(diǎn)非常明顯。

選用膠球在線清洗裝置,可以在不停工的前提下,進(jìn)行在線清洗,可以保證換熱器在高傳熱系數(shù)下運(yùn)行。經(jīng)過與在線清洗廠家咨詢,一臺在線清洗裝置需要10萬元,管內(nèi)污垢熱阻可以從原來的0.000352m2·k/W降低至0.000088m2·k/W。表2為采取這兩種不同污垢熱阻的設(shè)計結(jié)果。

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從表2可以看出,采用膠球在線清洗裝置可以

節(jié)省換熱器管束費(fèi)用308.8-242.1=66.7萬。綜合考慮在線清洗裝置投資10萬元,可以節(jié)省費(fèi)用56.7萬元,所以采用在線清洗裝置。

這種在線清洗裝置,需要單管程的結(jié)構(gòu)。考慮到固定管板結(jié)構(gòu),冷熱流體傳熱接近逆流,且管殼程壁溫不大,不需要設(shè)置膨脹節(jié),所以確定換熱器型式為單管程BEM結(jié)構(gòu)。

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2.3換熱管規(guī)格的確定

基于2.1和2.2的分析,確定采用BEM固定管板換熱器,將海水放在管程。采用φ25×1.5、φ19mm×1.5mm、φ14mm×1.5mm、φ12mm×1.5mm四種不同換熱管規(guī)格,分別進(jìn)行工藝計算。

2.3.1設(shè)備固定投資費(fèi)用

在保證換熱性能的前提下,分別應(yīng)用HTRI8.1進(jìn)行傳熱計算,得到換熱器規(guī)格,由于鈦管價格昂貴,設(shè)備固定投資近似等于換熱管費(fèi)用,將結(jié)果列于表3。

根據(jù)雷諾數(shù)判斷,這四種規(guī)格換熱管的管內(nèi)海水處于湍流狀態(tài),無相變的流體在管內(nèi)作湍流流動時,可用下式計算αi[4]:

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從上式可以看出,隨著管內(nèi)徑的減小,總傳熱系數(shù)不斷增大,將計算結(jié)果繪制于圖2~3。

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根據(jù)Q=KAΔTm,式中Q[3]為換熱量,K為總傳熱系數(shù),已經(jīng)獲得,關(guān)鍵是對ΔTm的獲得,由于殼程流體發(fā)生相變,不能采用對數(shù)傳熱溫差公式計算,只能采取分段計算方法,分別計算殼程氣化區(qū)和過熱區(qū)。在氣化區(qū)和過熱區(qū)可以分別采用對數(shù)傳熱溫差計算平均溫差。根據(jù)上述公式,得到換熱面積。

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360截圖166206078475119.jpg

從表3和圖4~5可以看出,隨著管外徑的減小,管束質(zhì)量逐漸降低,設(shè)備固定投資也逐漸降低,似乎應(yīng)該選擇φ10mm×1.5mm的小規(guī)格管子。但設(shè)計換熱器不僅僅要考慮固定費(fèi)用,還需要考慮設(shè)備全周期的費(fèi)用,因此必須要考慮運(yùn)行費(fèi)用。

2.3.2設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用

取設(shè)備壽命為20年,查得當(dāng)?shù)毓I(yè)用電單價為0.85元/kw·h,海水的體積流量為0.3m3/s,管程壓降分別按照水力計算獲得,水泵軸功率W=ΔP×Q,式中W代表軸功率,ΔP代表壓降,Q代表體積流量,運(yùn)行費(fèi)用P=i×c,式中P代表運(yùn)行費(fèi)用,i代表耗電量,c代表用電單價,如表4所示。

360截圖16430917280823.jpg

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從表6中可以看出,隨著管徑的減小,管內(nèi)徑的壓降逐漸增加。管內(nèi)壓降的影響因素包括流速、流體物性、換熱管長度[5-6],具體公式為:

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2.3.3設(shè)備全生命周期費(fèi)用

從圖7~8和表5可以看出,隨著管外徑的增加,水泵運(yùn)行費(fèi)用不斷減少,設(shè)備固定投資不斷增加,無法判斷最優(yōu)管規(guī)格,基于此,以總投資費(fèi)用為縱坐標(biāo),作圖如圖9所示。

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從圖9中可以看出,當(dāng)換熱管外徑為19mm時,總費(fèi)用最低,因此最優(yōu)換熱管規(guī)格為φ19mm×1.5mm。

3、結(jié)論

綜上所述,接觸海水介質(zhì)的流體放在管程,可以避免殼程使用價格昂貴的鈦材,可以節(jié)省設(shè)備投資。

由于管殼側(cè)介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)比較高,海水側(cè)污垢熱阻對總體熱阻的貢獻(xiàn)值很大,綜合考慮清洗裝置投資,使用在線清洗裝置。

隨著管內(nèi)徑的減少,總傳熱系數(shù)不斷增大,管束重量逐漸降低,因此,小換熱管需要較小的固定投資。

隨著管徑的減小,管內(nèi)徑的壓降逐漸增加,水泵的運(yùn)行費(fèi)用逐漸增加,因此,小換熱管需要較大的運(yùn)行費(fèi)用。

作為制造廠,在換熱器工藝計算的過程中,不能只考慮設(shè)備的制造成本,還需要考慮換熱器全生命周期的費(fèi)用,以總費(fèi)用為最優(yōu)目標(biāo),得到最優(yōu)換熱管規(guī)格為φ19mm×1.5mm。

參考文獻(xiàn)

[1]張文毓.鈦換熱器市場發(fā)展分析研究[J].船舶物資與市場,2011(2):31-34.

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[4]E.U.施林德爾.換熱器設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[5]密曉光,陳杰,鹿來運(yùn),等.繞管式換熱器層間質(zhì)量遷移特性的試驗(yàn)研究[J].液體機(jī)械,2020,48(3):1-5.

[6]董哲生.流體在工業(yè)管道中流動沿程阻力計算的研究[J].江西能源,2006,23(3):26-27,23.

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